Fahrzyklusgerechte Auslegung von permanentmagneterregten Synchronmaschinen für Hybrid- und Elektrofahrzeuge
Seiten
2011
|
1., Aufl.
Shaker (Verlag)
978-3-8440-0607-0 (ISBN)
Shaker (Verlag)
978-3-8440-0607-0 (ISBN)
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Steigendes Umweltbewusstsein, immer striktere gesetzliche Vorgaben an die Emissionswerte und die Aussicht auf eine Verknappung der fossilen Ressourcen zwingen zur Entwicklung effizienterer Fahrzeuge mit weniger Kraftstoffverbrauch, um auch in Zukunft die individuelle Mobilität der modernen Gesellschaft erfüllen zu können. In den Fokus der Fahrzeugentwicklung ist neben dem Hybridfahrzeug auch das Elektrofahrzeug gerückt.
Die Anforderungen an die elektrischen Maschinen, die sich aus den einzelnen Fahrzeugkonzepten und Funktionalitäten ergeben, sind sehr umfangreich. Die Hauptanforderungen entsprechen dabei durchaus den allgemeinen Anforderungen einer elektrischen Maschine, wie ein geringes Gewicht, ein kleines Bauvolumen, eine hohe Leistungsdichte und eine gute Zuverlässigkeit.
Um den Energieverbrauch des Fahrzeuges zu minimieren, ist die wichtigste Anforderung jedoch ein guter Wirkungsgrad der elektrischen Maschine, entscheidend ist nicht der maximale Wirkungsgrad der Maschine, sondern der gemittelte Gesamt-Systemwirkungsgrad während einer Fahrt. Die elektrische Maschine muss also fahrzyklusgerecht ausgewählt und ausgelegt werden.
Nach einer kurzen historischen Einführung in den Stand der Technik und der Vorstellung der einzelnen Antriebskonzepte werden in dieser Arbeit daher zunächst Betriebspunktverteilungen für verschiedene Fahrzeugkonzepte und Nutzungsprofile exemplarisch erstellt. Um die Frage nach dem geeigneten Maschinentyp zu beantworten, werden im Anschluss die gängigsten Maschinentypen grob ausgelegt und im Hinblick auf eine Verwendung in elektrifizierten Antriebssträngen miteinander verglichen. Vor dem Hintergrund der hohen Anforderung an Leistungsdichte und Leistungsgewicht in äußerst kompakten Systemen wie dem parallelen Hybridfahrzeug wird im Folgenden die permanentmagneterregte Synchronmaschine (PMSM) ausgewählt und detailliert thematisiert.
Die PMSM ist seit langem Bestandteil vieler Auslegungs-, Optimierungs- und Forschungs-Arbeiten. Diese waren bisher jedoch auf isolierte Aspekte wie beispielsweise die Leistungsabgabe, die Drehmomentwelligkeit oder einzelne Verlustmechanismen beschränkt. Im Vordergrund dieser Arbeit stehen allerdings der ganzheitliche Ansatz und die Auswirkung sowohl auf die Leistungsdaten und parasitären Effekte als auch auf das Wirkungsgradkennfeld der Maschine und damit dem Energieumsatz des Fahrzeuges. Daher werden für alle Geometrievariationen und Optimierungen die resultierenden Verlust- und Wirkungsgradkennfelder berechnet und den Vorteilen der bisher bekannten Seite gegenübergestellt.
Bedingt durch starke Sättigungseffekte in Maschinen mit vergrabenen Magneten und der Notwendigkeit die Auswirkungen auf die Verluste bewerten zu können, werden sämtliche Untersuchungen mit Hilfe der numerischen FEM durchgeführt. Durch die hohe Anzahl von Geometrievariationen und zu berechnenden Betriebspunkten wird in dieser Arbeit eine automatisierte Berechnungskette erarbeitet und in das IEM-Softwarepaket integriert, die für eine gegebene Geometrie, unter Berücksichtigung relevanter Rahmenbedingungen und Regelstrategien, alle Betriebspunkte berechnet, die für die Erstellung der Verlust- und Wirkungsgradkennfelder benötigt werden.
Im Hinblick auf den beschränkten Bauraum in vielen Fahrzeugen wird in dieser Arbeit ein Auslegungsvorgang vorgestellt, der den gegebenen Randbedingungen und fahrzyklusbedingten Anforderungen gerecht wird. Die Auswirkungen der verbleibenden Freiheitsgrade wie Rotorbauform, Wicklungsart, Windungszahl, Polpaarzahl und Rotorradius werden bestimmt und gegenübergestellt. Die Effekte verschiedener Optimierungsmaßnahmen wie die Variation von Zahnformen, Wickelfenster, Polbedeckungswinkel oder Lage, Form und Segmentierung der Magnete werden untersucht.
Alle Ergebnisse und Vergleiche werden unter dem Aspekt der Anwendung im elektrifizierten Antriebsstrang betrachtet. Eine tabellarische Übersicht über alle Geometrien und Variationen, deren Vor- und Nachteile sowie ihre zweckmäßigsten Verwendungsmöglichkeiten wird erstellt und eine Systematik erarbeitet, mit deren Hilfe für ein gegebenes Fahrzeugkonzept und dessen Anforderungen eine geeignete Geometriekombination ausgewählt werden kann.
Im Anschluss wird ein im Rahmen dieser Arbeit entstandener und in ein Fahrzeug integrierter Prototyp vorgestellt und die Simulationswerkzeuge sowie die Maschinenauslegung anhand von Messungen validiert. Abschließend erfolgen eine Zusammenfassung und ein Ausblick auf mögliche Fortführungen und Ergänzungen der Forschungsarbeiten.
Die Anforderungen an die elektrischen Maschinen, die sich aus den einzelnen Fahrzeugkonzepten und Funktionalitäten ergeben, sind sehr umfangreich. Die Hauptanforderungen entsprechen dabei durchaus den allgemeinen Anforderungen einer elektrischen Maschine, wie ein geringes Gewicht, ein kleines Bauvolumen, eine hohe Leistungsdichte und eine gute Zuverlässigkeit.
Um den Energieverbrauch des Fahrzeuges zu minimieren, ist die wichtigste Anforderung jedoch ein guter Wirkungsgrad der elektrischen Maschine, entscheidend ist nicht der maximale Wirkungsgrad der Maschine, sondern der gemittelte Gesamt-Systemwirkungsgrad während einer Fahrt. Die elektrische Maschine muss also fahrzyklusgerecht ausgewählt und ausgelegt werden.
Nach einer kurzen historischen Einführung in den Stand der Technik und der Vorstellung der einzelnen Antriebskonzepte werden in dieser Arbeit daher zunächst Betriebspunktverteilungen für verschiedene Fahrzeugkonzepte und Nutzungsprofile exemplarisch erstellt. Um die Frage nach dem geeigneten Maschinentyp zu beantworten, werden im Anschluss die gängigsten Maschinentypen grob ausgelegt und im Hinblick auf eine Verwendung in elektrifizierten Antriebssträngen miteinander verglichen. Vor dem Hintergrund der hohen Anforderung an Leistungsdichte und Leistungsgewicht in äußerst kompakten Systemen wie dem parallelen Hybridfahrzeug wird im Folgenden die permanentmagneterregte Synchronmaschine (PMSM) ausgewählt und detailliert thematisiert.
Die PMSM ist seit langem Bestandteil vieler Auslegungs-, Optimierungs- und Forschungs-Arbeiten. Diese waren bisher jedoch auf isolierte Aspekte wie beispielsweise die Leistungsabgabe, die Drehmomentwelligkeit oder einzelne Verlustmechanismen beschränkt. Im Vordergrund dieser Arbeit stehen allerdings der ganzheitliche Ansatz und die Auswirkung sowohl auf die Leistungsdaten und parasitären Effekte als auch auf das Wirkungsgradkennfeld der Maschine und damit dem Energieumsatz des Fahrzeuges. Daher werden für alle Geometrievariationen und Optimierungen die resultierenden Verlust- und Wirkungsgradkennfelder berechnet und den Vorteilen der bisher bekannten Seite gegenübergestellt.
Bedingt durch starke Sättigungseffekte in Maschinen mit vergrabenen Magneten und der Notwendigkeit die Auswirkungen auf die Verluste bewerten zu können, werden sämtliche Untersuchungen mit Hilfe der numerischen FEM durchgeführt. Durch die hohe Anzahl von Geometrievariationen und zu berechnenden Betriebspunkten wird in dieser Arbeit eine automatisierte Berechnungskette erarbeitet und in das IEM-Softwarepaket integriert, die für eine gegebene Geometrie, unter Berücksichtigung relevanter Rahmenbedingungen und Regelstrategien, alle Betriebspunkte berechnet, die für die Erstellung der Verlust- und Wirkungsgradkennfelder benötigt werden.
Im Hinblick auf den beschränkten Bauraum in vielen Fahrzeugen wird in dieser Arbeit ein Auslegungsvorgang vorgestellt, der den gegebenen Randbedingungen und fahrzyklusbedingten Anforderungen gerecht wird. Die Auswirkungen der verbleibenden Freiheitsgrade wie Rotorbauform, Wicklungsart, Windungszahl, Polpaarzahl und Rotorradius werden bestimmt und gegenübergestellt. Die Effekte verschiedener Optimierungsmaßnahmen wie die Variation von Zahnformen, Wickelfenster, Polbedeckungswinkel oder Lage, Form und Segmentierung der Magnete werden untersucht.
Alle Ergebnisse und Vergleiche werden unter dem Aspekt der Anwendung im elektrifizierten Antriebsstrang betrachtet. Eine tabellarische Übersicht über alle Geometrien und Variationen, deren Vor- und Nachteile sowie ihre zweckmäßigsten Verwendungsmöglichkeiten wird erstellt und eine Systematik erarbeitet, mit deren Hilfe für ein gegebenes Fahrzeugkonzept und dessen Anforderungen eine geeignete Geometriekombination ausgewählt werden kann.
Im Anschluss wird ein im Rahmen dieser Arbeit entstandener und in ein Fahrzeug integrierter Prototyp vorgestellt und die Simulationswerkzeuge sowie die Maschinenauslegung anhand von Messungen validiert. Abschließend erfolgen eine Zusammenfassung und ein Ausblick auf mögliche Fortführungen und Ergänzungen der Forschungsarbeiten.
| Reihe/Serie | Aachener Schriftenreihe zur Elektromagnetischen Energiewandlung ; 11 |
|---|---|
| Sprache | deutsch |
| Maße | 148 x 210 mm |
| Gewicht | 339 g |
| Einbandart | Paperback |
| Themenwelt | Technik ► Elektrotechnik / Energietechnik |
| Schlagworte | elektrische Maschinen • Elektrofahrzeug • Elektrotechnik • Hybridfahrzeug • Permanentmagneterregte Synchronmaschine |
| ISBN-10 | 3-8440-0607-9 / 3844006079 |
| ISBN-13 | 978-3-8440-0607-0 / 9783844006070 |
| Zustand | Neuware |
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